加熱，通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)使用傳感器來調(diào)節(jié)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行。運(yùn)行該設(shè)備通常以代表每月電費(fèi)很大一部分的速率消耗能量。當(dāng)外部溫度降至室溫以下時(shí)，加熱負(fù)荷增加。相反，當(dāng)外部溫度升高到室溫以上時(shí)，冷卻負(fù)荷增加。

僅使用干球溫度測(cè)量值來確定控制決策的系統(tǒng)已過時(shí)，應(yīng)基于傳感器測(cè)量值的組合由控制系統(tǒng)代替，以實(shí)現(xiàn)最佳的乘員舒適度并降低加熱或冷卻結(jié)構(gòu)的成本。在這些設(shè)計(jì)中，在溫度和濕度感測(cè)組件中使用最新技術(shù)產(chǎn)品可以幫助提高性能。本文的目的是提供這些傳感器在HVAC系統(tǒng)中的位置，使用方式以及它們對(duì)系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的影響的高級(jí)視圖。

在HVAC系統(tǒng)中，有多個(gè)傳感器（圖1）。它們位于送風(fēng)管道，外部和回風(fēng)管道以及恒溫器控制單元中。這些傳感器（模擬或數(shù)字）提供原始數(shù)據(jù)，控制器可根據(jù)這些原始數(shù)據(jù)計(jì)算和管理系統(tǒng)的整體性能。

圖1這是基本的HVAC系統(tǒng)的布局。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

HVAC系統(tǒng)的整體效率取決于傳感器的固有準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。通過確保HVAC系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行（風(fēng)扇，減震器和加濕器）在準(zhǔn)確的時(shí)間和最少的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，從而顯著提高性能，從而減少了系統(tǒng)的總體功耗，從而降低了能源成本。

圖1所示的原始技術(shù)包括無源器件，例如負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器（RTD）。兩種設(shè)備在老化時(shí)都易于漂移。盡管RTD的線性度很高，但NTC熱敏電阻不是線性的，并且需要進(jìn)行斜率和失調(diào)校正才能達(dá)到任何實(shí)際精度。這使得NTC熱敏電阻難以制造。

與基于硅的正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻傳感器相比，RTD隨著時(shí)間的流逝變得非常不可靠，后者可以由與RTD相同或相似的單個(gè)激勵(lì)電流源驅(qū)動(dòng)。這些PTC傳感器也可以像NTC熱敏電阻一樣進(jìn)行電壓偏置。PTC設(shè)備具有與RTD相同的線性度，但是如果不隨時(shí)間進(jìn)行校正，則不會(huì)出現(xiàn)相同的重復(fù)和累積漂移。在這里，提高的傳感器精度和可靠性可以為干球測(cè)量用例增加價(jià)值。

單經(jīng)濟(jì)型和雙經(jīng)濟(jì)型HVAC

如圖1所示，使用僅在外部具有溫度傳感器，回風(fēng)和混合空氣的系統(tǒng)時(shí)，存在一個(gè)缺點(diǎn)。例如，在陰雨天，外部空氣的濕度會(huì)被帶入。為了使空氣除濕，這將需要額外的冷卻能力。但是因?yàn)闇囟葌鞲衅鳠o法檢測(cè)到這種情況，所以控制器沒有意識(shí)到，將相對(duì)濕度檢測(cè)添加到與溫度傳感器相同的位置可以解決此問題。

因此，HVAC可以安排為單或雙焓節(jié)能器系統(tǒng)，分別如圖2和圖3所示。從％RH傳感器到主控制器的附加輸入使其可以在完成環(huán)境控制的同時(shí)更好地管理能耗。

圖2單經(jīng)濟(jì)型HVAC系統(tǒng)使用了一個(gè)結(jié)合了焓的傳感器模塊，可以接觸到室外空氣。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

圖3雙節(jié)能器HVAC系統(tǒng)在回風(fēng)路徑中增加了第二個(gè)節(jié)能節(jié)能器傳感器。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

焓是熱力學(xué)性質(zhì)，不能直接測(cè)量。它是根據(jù)溫度和濕度的測(cè)量值計(jì)算得出的。因此，使用準(zhǔn)確且可重復(fù)的溫度和相對(duì)濕度傳感器非常重要。計(jì)算誤差是各個(gè)傳感器精度和公差的組合，應(yīng)盡可能小。

單經(jīng)濟(jì)型HVAC系統(tǒng)使用組合式焓傳感器模塊，可接觸室外空氣。省煤器的目的是在可能的情況下使用室外空氣進(jìn)行冷卻，以減少壓縮機(jī)的運(yùn)行。它報(bào)告干球溫度和濕度，使?jié)穸容^低時(shí)可以在較高溫度下使用室外空氣，以對(duì)空氣進(jìn)行免費(fèi)冷卻。

當(dāng)用戶調(diào)整恒溫器設(shè)定點(diǎn)時(shí)，HVAC控制器將混合空氣控制回路從室外切換為以預(yù)設(shè)的室外風(fēng)干球溫度返回空氣。在單個(gè)焓值節(jié)省器系統(tǒng)中，HVAC控制器模塊將根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)計(jì)算出的焓值與預(yù)選的設(shè)定點(diǎn)曲線進(jìn)行比較，從而比僅使用溫度傳感器的解決方案更有效地完成任務(wù)。

在大多數(shù)氣候條件下，使用單節(jié)能器HVAC系統(tǒng)將焓值替代干球溫度，可以降低制冷成本。并且，盡管這些系統(tǒng)有效并且相對(duì)于僅溫度系統(tǒng)提供了改進(jìn)，但在系統(tǒng)中使用第二個(gè)組合傳感器模塊會(huì)增加數(shù)據(jù)的另一個(gè)測(cè)量位置，從而有機(jī)會(huì)提高系統(tǒng)效率。

雙節(jié)能器HVAC系統(tǒng)在回風(fēng)路徑中增加了第二個(gè)節(jié)能節(jié)能器傳感器。當(dāng)用戶調(diào)整恒溫器設(shè)定點(diǎn)時(shí)，或者當(dāng)混合空氣溫度超過預(yù)設(shè)范圍或設(shè)定點(diǎn)時(shí)，具有較低焓值的空氣（來自室外或回風(fēng)）將被帶入空氣調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)部分。

這是一種控制室外空氣使用量的非常有效的方法，因?yàn)榛仫L(fēng)和室外空氣的比較是連續(xù)不斷的，并且全年自動(dòng)進(jìn)行。此外，它消除了用戶記住或知道如何進(jìn)行所需設(shè)定值更改的需要，從而消除了操作員的錯(cuò)誤。在比回風(fēng)更高的溫度下冷卻室外空氣可能看起來很浪費(fèi)，但是這種節(jié)省是可以證實(shí)的，因?yàn)閷?duì)空氣進(jìn)行除濕所需的機(jī)械冷卻量通常超過降低干球溫度所需的量。

在大量產(chǎn)生濕氣的建筑物中，例如廚房或淋浴間，與僅使用干燈泡上限的方法相比，這種控制順序可以節(jié)省大量成本。使用焓模塊意義重大，因?yàn)樵陲@熱溫度開始降低之前，空調(diào)系統(tǒng)約50％的制冷能力用于通過去除潛熱來對(duì)空調(diào)空氣進(jìn)行除濕。

焓計(jì)算

在HVAC應(yīng)用程序中，焓源自：

使用模擬或數(shù)字傳感器直接測(cè)量的環(huán)境溫度

混合比X，以每千克千焦耳或每磅英制熱量單位（BTU）為單位

大氣常數(shù)

相對(duì)濕度測(cè)量

通過使用單個(gè)數(shù)字溫度和濕度傳感器的數(shù)據(jù)，可以直接在微控制器（MCU）上計(jì)算焓（h）。

對(duì)于HVAC應(yīng)用通常運(yùn)行的溫度范圍，表1列出了在公式6中使用的推薦常數(shù)A（壓力），m（質(zhì)量）和Tn（溫度）。

表1計(jì)算P ws的常數(shù)一個(gè)米n最大誤差溫度范圍

6.1164417.591386240.72630.083％-20°C至+ 50°C

單個(gè)焓計(jì)算示例從使用從傳感器收集的溫度和濕度數(shù)據(jù)開始。在下面列出的示例計(jì)算集中，從傳感器組合返回的測(cè)得溫度為25°C，相對(duì)濕度為52％RH。

求解P WS = 31.67450264 hPa

求解P W = 16.47074137 hPa

X的求解= 10.28032832 g / kg

求解焓，h1 = 51.43657 kj / kg，轉(zhuǎn)換為BTU / lb，h1 = 22.1327738 BTU / lb

此數(shù)學(xué)運(yùn)算發(fā)生在本地MCU內(nèi)部。MCU確定室外空氣是高于還是低于選定的設(shè)定點(diǎn)，然后向4-20上的邏輯模塊發(fā)送4-mA信號(hào)（不節(jié)能）或20-mA信號(hào)（節(jié)能）。 mA電流環(huán)路，返回主控制器。

當(dāng)從控制器或商用恒溫器發(fā)出冷卻指令時(shí)，節(jié)能器邏輯模塊會(huì)將上面計(jì)算的值（h1，室外焓）與預(yù)先選擇的設(shè)定點(diǎn)控制曲線進(jìn)行比較，如表2所示。安裝人員根據(jù)地理氣候選擇控制曲線；安裝的冷卻設(shè)備類型；乘員舒適度；并控制濕度，這將防止高濕度引起的室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。

表2控制曲線設(shè)定點(diǎn)

控制曲線控制點(diǎn)

（大約溫度@ 50％RH）

一個(gè)73°華氏度/ 23°C

乙70°F / 21°C

C67°華氏度/ 19°C

d63°華氏度/ 17°C

單經(jīng)濟(jì)型HVAC系統(tǒng)確實(shí)需要建筑居住者或維修技術(shù)人員知道季節(jié)性的要求，以便進(jìn)行設(shè)置更改或記住要根據(jù)季節(jié)條件對(duì)控制曲線設(shè)置進(jìn)行實(shí)際更改。

雙重焓計(jì)算

雙重焓計(jì)算通過添加位于回風(fēng)中的第二組傳感器來構(gòu)建單節(jié)油器示例，如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為冷卻或混合空氣溫度高于高混合空氣溫度時(shí)， -空氣溫度傳感器的范圍或設(shè)定點(diǎn)，將具有較低焓（室外或回風(fēng)）的空氣引入空氣調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)部分。

如前所述，這是控制室外空氣使用量的一種增強(qiáng)方法，因?yàn)榛仫L(fēng)和室外空氣比較是實(shí)現(xiàn)最高性能的途徑。從每小時(shí)千瓦時(shí)的消耗和使用成本的角度來看，使用兩個(gè)焓傳感器子系統(tǒng)可以消除或避免正確安裝后的操作員錯(cuò)誤。隨著季節(jié)的變化，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而可以節(jié)省更多成本。

如果h1 = 22.1327738 BTU / lb，則根據(jù)暴露在外界空氣中的測(cè)得傳感器的溫度和濕度，為用戶設(shè)定點(diǎn)計(jì)算焓。如果將這些計(jì)算與HVAC系統(tǒng)的總熱量以及每分鐘立方英尺（CFM）一起應(yīng)用在公式中，請(qǐng)將其轉(zhuǎn)換為千瓦時(shí)，然后將全國(guó)平均電費(fèi)應(yīng)用于該值。另外，確定解決溫度設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間以及系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式的時(shí)間，這將產(chǎn)生每個(gè)事件，一天或一個(gè)月操作系統(tǒng)的成本。

在此示例中，如果用戶將恒溫器設(shè)置為21°C并僅保留％RH，則焓將為17.914 BTU / lb。公式7表示總熱量的公式：

假設(shè)CFM = 400，則每次用戶降低溫度時(shí)，在理想情況下，HVAC系統(tǒng)處理該請(qǐng)求大約需要2.23 kWh和大約7.6分鐘。根據(jù)美國(guó)全國(guó)平均水平$ 0.139 / kWh，此請(qǐng)求的費(fèi)用約為$ 0.04。乍一看聽起來似乎不算是大筆費(fèi)用，但它的確增加了成本。如果HVAC系統(tǒng)在外部氣溫和設(shè)定值較低的情況之間不斷循環(huán)，那么一天可能會(huì)發(fā)生60次以上。

以每天$ 2.50美元計(jì)算，一個(gè)月內(nèi)的費(fèi)用總計(jì)為$ 75.14。插入不同的濕度設(shè)定點(diǎn)（在這種情況下，是較高的％RH）可以進(jìn)一步降低成本。這就是設(shè)計(jì)完整的焓傳感器的全部?jī)r(jià)值帶給HVAC設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的原因，因?yàn)榘遢d還將有一個(gè)濕度傳感器。

現(xiàn)在想象一下，溫度傳感器在任一方向上僅關(guān)閉了1°C。這樣的不準(zhǔn)確性將導(dǎo)致該系統(tǒng)的能源消耗“泄漏”近7％，這使每月的賬單增加了5美元。如果％RH的偏差大于5％RH，則在％RH傳感器側(cè)也存在相同的成本泄漏。因此，至關(guān)重要的是為HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提供傳感器，使其在所需的水平上準(zhǔn)確且可重復(fù)，以確保系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的性能均可靠。

具有RTD線性度的熱敏電阻

TI的TMP61線性熱敏電阻等器件可以由與RTD相同或相似的單個(gè)激勵(lì)電流源驅(qū)動(dòng)，也可以像NTC熱敏電阻一樣通過電壓偏置來驅(qū)動(dòng)。這些器件還具有與RTD相同的線性度，但是如果不隨時(shí)間進(jìn)行校正，則不會(huì)出現(xiàn)相同的重復(fù)和累積漂移，因?yàn)檫@些線性熱敏電阻是基于硅的器件，相比之下它們根本不會(huì)移動(dòng)。

TMP61熱敏電阻的準(zhǔn)確性，可靠性，低成本和一般靈活性為干球測(cè)量用例增加了價(jià)值。在設(shè)計(jì)或指定用于節(jié)能機(jī)的組件時(shí)，請(qǐng)考慮數(shù)字溫度和相對(duì)濕度傳感器（HDC1010，HDC1080，HDC2010，HDC2080，HDC2021，HDC2022），僅通過一個(gè)組合的傳感器組件即可滿足或超過大多數(shù)系統(tǒng)對(duì)焓的設(shè)計(jì)要求。

使用能夠提供所需精度，精確度和可重復(fù)性的傳感器非常重要，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^直接節(jié)省電費(fèi)來為消費(fèi)者增加實(shí)際價(jià)值，并通過可靠且一致的計(jì)算和決策來支持已安裝的HVAC系統(tǒng)。

Josh Wyatt管理著德州儀器（TI）的溫度和濕度感應(yīng)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)。

編輯：hfy